Воронеж 2008

Л.А. Иванов В.М. Пачевский

ГИДРАВЛИКА

Учебное пособие

Воронеж 2008

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Л.А. Иванов В.М. Пачевский

ГИДРАВЛИКА

Издание второе, переработанное и дополненное

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

УДК 530.1 (075.8)

Иванов Л.А. Гидравлика: учеб. пособие / Л.А. Иванов, В.М. Пачевский. 2-е изд., перераб. и доп. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 142 с.

Учебное пособие содержит вопросы, относящиеся к рабочим жидкостям гидросистем, методов описания их движения, основные законы гидростатики и гидродинамики жидкостей. Освещены проблемы образования кавитации гидравлического удара, рекомендации по фильтрации рабочих жидкостей.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», специальности 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», дисциплине «Гидравлика».

Учебное пособие предназначено для студентов очной и очно-заочной форм обучения. Может быть использовано при выполнении курсовых и дипломных проектов и как руководство при выполнении лабораторных работ.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле УП.Гидравлика.doc.

Табл. 4. Ил. 29. Библиогр.: 16 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. А.Н. Осинцев

Рецензенты: кафедра естественных дисциплин Воронежской

государственной технологической академии

(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф.

А.С. Борсяков);

д-р техн. наук, проф. Ю.С. Ткаченко

© Иванов Л.А.,

Пачевский В.М., 2008

© Оформление. ГОУВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2008

ВВЕДЕНИЕ

Гидравликой (гидромеханикой) называется раздел физики, в котором изучаются законы равновесия и движения жидкостей, а также взаимодействие движущихся жидкостей с контактируемыми твердыми телами. В гидравлике не учитывают молекулярное строение жидкостей, рассматривая их как сплошную среду, непрерывно распределенную в рабочих объемах.

Гидродинамикой называется раздел гидромеханики, в котором рассматриваются условия и закономерности движения жидкостей под действием приложенных к ним сил.

Отличительной особенностью жидкостей по сравнению с твердыми телами является их текучесть, то есть малая сопротивляемость деформации сдвига.

Несжимаемой жидкостью называется капельная жидкость, зависимостью плотности которой от давления в рассматриваемой задаче можно пренебречь. Идеальной жидкостью называется жидкость, в которой отсутствует внутреннее трение. Вязкими жидкостями называются жидкости, для которых наличие внутреннего трения необходимо учитывать. Баротропной жидкостью называют жидкость, плотность которой зависит только от давления.

Законы гидравлики применяются в различных областях науки и техники. Например, расчет водо,- нефте,- газо, масло- трубопроводов, расчет параметров насосов, гидроприводов и гидроузлов металлорежущих станков и технологического оборудования: кузнечно–прессового, литейного и других. Сжимаемость жидкостей незначительна и при расчетах принимается постоянной; учитывается при решении специальных задач (гидравлический удар, подводный взрыв и т.п.).

1. ГИДРОПРИВОД КАК ФАКТОР АВТОМАТИЗАЦИИ СТАНКОВ И СТАНОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ

В общем случае под приводом понимается механизм (устройство), приводящее в действие рабочие органы станков и технологического оборудования. По принципу действия различают:

1. ступенчатое регулирование скорости – обеспечивается коробками скоростей или подач, а также электроприводом переменного тока;

2. бесступенчатое (плавное) регулирование выходных звеньев – обеспечивается электроприводом постоянного тока и гидроприводом.

На гидропривод распространяется требование вакуумной техники, то есть, обеспечение герметичности гидросистемы.

Гидропривод состоит из источника гидравлического потенциала (насос), аппаратуры, регулирующей давление и расход жидкости, выходного гидроцилиндра (гидродвигателя), осуществляющего перемещение рабочего органа технологического оборудования, коммутационных магистралей (трубопровод, гибкие шланги), связывающих узлы гидропривода и вспомогательные устройства (контрольно – измерительная аппаратура, система фильтров очистки минерального масла, и т.п.).

В гидравлических приводах для получения механического движения используют давление жидкости. Высокая подвижность и малая сжимаемость жидкостей позволяют с помощью простого по конструкции двигателя поступательного движения – гидроцилиндра – выполнить практически все требования, предъявляемые к движению рабочих органов в станках: по скорости, равномерности движения, усилиям, частоте переключений и др. Рабочее давление жидкости в гидроприводах станков значительно выше, чем давление сжатого воздуха в пневмопритводах, поэтому габаритные размеры гидравлических исполнительных механизмов соответственно меньше, чем пневматических, и они легче встраиваются в станок. Гидравлические двигатели вращательного движения также имеют меньшие размеры и массу на единицу мощности по сравнению с электродвигателями.

Гидравлический привод удобно сочетается с другими типами приводов, электронными системами управления станками, а также имеет и другие преимущества, благодаря которым гидропривод является эффективным средством автоматизации станков и устройств, способствующих их более эффективному использованию (промышленных роботов, автоматизированных магазинов инструментов и складов продукции; устройства контроля размеров заготовок, деталей и др.).

К преимуществам гидропривода, по сравнению, например, с механическими и электроприводами, следует отнести возможность реализации автоматического циклового действия, компактность, малую металлоемкость, способность бесступенчатого регулирования скорости рабочих органов, лучшие динамические свойства реверсирование прямолинейного движения, обеспечение надежной смазки. Гидроприводам присущи: надежная защита от перегрузок, перестройка технологического оборудования на различные режимы работы, возможность автоматизации, высокая энергоемкость, то есть, получение больших сил и мощностей при сравнительно небольших габаритах и собственной массе гидродвигателей. Например, габариты и масса современных гидродвигателей составляют около 20% по сравнению с электродвигателями аналогичной мощности. Для гидросистем характерна высокая энергоемкость рабочей среды. Давление жидкости достигает 35 – 100 Мпа и более. Диапазонбесступенчатого регулирования скоростей для поступательных движений лежит в пределах от 3 мм/мин до 90 м/мин, для вращательных от 0,1 мин^-1 до 50000 мин^-1. Малая инерционность гидродвигателей дает возможность частых и быстрых переключений. Так, для гидроцилиндров частота переключений составляет 400 мин^-1, для гидромоторов – 500 мин^-1. Например, время реверса гидромотора мощностью 3,75 квт составляет 0,02 сек.

Недостатками гидропривода, ограничивающими его применение являются: нестабильность работы из – за неизбежности температурных колебаний рабочей жидкости, более низкий к.п.д. из-за утечек рабочей жидкости, и особенностей работы насосов постоянной и нерегулируемой подачи; невозможность точного соблюдения передаточного отношения при согласовании движений рабочих органов станка, необходимость применения устройств очистки и охлаждения жидкости, повышенная пожароопасность при работе с минеральными маслами.

2. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРОСИСТЕМ

Рабочим телом (средой) в гидравлических системах являются капельные жидкости, характеризуемые высокими, по сравнению с газами, объемным модулем сжатия и вязкостью. В основном применяются минеральные масла, представляющие собой жидкие дистиллаты, загущенные парафином, церезином и другими твердыми углеводородами, а также жидкости на основе органических и кремнийорганических соединений. Особенно широко применяются смеси минеральных масел, полученные смешиванием маловязких нефтепродуктов с высоковязкими компонентами (загустителями).

Основными показателями для оценки качества рабочей жидкости служат вязкостно – температурные свойства, химическая и физическая стабильность, антикоррозийные свойства, неагрессивность по отношению к резиновым уплотнительным деталям, смазочная способность, теплофизические свойства и вспениваемость, а также огнестойкость и температура замерзания.

2.1. Требования к рабочим жидкостям

Рабочая жидкость гидросистем должна обладать:

а) хорошими смазывающими свойствами;

б) минимальной зависимостью вязкости от температуры в требуемом диапазоне температур;

в) низкой упругостью насыщенных паров и высокой температурой кипения;

г) нейтральностью к применяемым материалам и в частности к резиновым уплотнителям и малым адсорбированием воздуха, а также легкость его отделения;

д) высокой устойчивостью к механической и химической деструкции и к окислению в условиях применяемых температур, а также длительным сроком службы;

е) высоким объемным модулем упругости;

ж) высокими коэффициентами теплопроводности и удельной теплоемкости и малым коэффициентом теплового расширения;

з) высокими изолирующими и диэлектрическими качествами;

и) жидкость и продукты ее разложения не должны быть токсичными.

2.2 Эксплуатационные характеристики жидкостей

Температура вспышки материальных масел – это минимальная температура, при которой от соприкосновения с открытым пламенем воспламеняется пары масла, насыщающие находящийся над ним воздух.

Испарение масел начинается при температуре на 65⁰ – 85⁰С ниже температуры вспышки. Эта важная характеристика используется для определения степени пожароопасности масел.

Вязкость масел (свойство жидкости сопротивляться усилиям сдвига) значительно больше вязкости воды.

В механизмах с небольшой скоростью движения рабочих органов принимают масла более вязких сортов. В быстроходных – используются менее вязкие виды масел. Малая вязкость требует меньшей затраты мощности, но увеличиваются утечки масла. При повышенной вязкости утечки уменьшаются, но увеличивается потребляемая мощность. Вязкость – один из основных параметров при проектировании гидросистем.

Важными параметрами жидкости являются также температуры застывания и замерзания.

Температурой застывания по ГОСТу 1929 – 51 называют такую наиболее высокую температуру, при которой поверхность уровня масла, залитого в стандартную пробирку, не перемещается при наклоне пробирки на 45⁰ в течение 5 мин. Эта температура характеризует жидкость с точки зрения сохранения текучести, а следовательно, возможности транспортировки и слива в холодное время года.

Температура застывания масла должна быть не менее чем на 10 – 17⁰ С ниже наименьшей температуры окружающей среды, в условиях которой будет работать гидросистема.

Температурой замерзания называют температуру начала кристаллизации, т.е. температуру, при которой в жидкости образуется облачко из мельчайших кристаллов. При этом не должно быть расслаивания жидкости и выделения из нее составных компонентов.

Жидкость не должна содержать легкоиспаряющиеся компоненты, испарение которых может привести при продолжительной эксплуатации к загустению жидкости.

2.3. Физические характеристики жидкостей

2.3.1. Весомость жидкости характеризуется объемным весом (удельной силой тяжести) и плотностью, которые фактически обозначают одно и то же свойство жидкости, - отношение веса или массы жидкости к ее объему. При расчетах обычно используют объемный вес (вес единицы объема вещества), который зачастую называют весовой плотностью, причем выражают его обычно как отношение веса в килограммах к объему в кубических сантиметрах или метрах.

При равномерном распределении массы объемный вес

где - вес некоторого объема V жидкости;

m = - масса рассматриваемого объема жидкости;

g – ускорение силы тяжести.

Для минеральных масел при упрощенных расчетах можно принять γ = 900 кг/м³

Различают также удельный объем жидкости, под которым понимают объем единицы ее массы:

или

Объемный вес не следует смешивать с безразмерным относительным удельным весом жидкости (σ), под которым понимается отношение веса данной жидкости G_m к весу дистиллированной воды G_в при 4 ⁰С, взятой в том же объеме.

2.3.2. Плотность ( ) имеет важное значение при расчетах режимов течения жидкости через местные сопротивления, потеря напора в которых обусловлена в основном ускорением жидкости, тогда перепад давления из соотношения

Плотность жидкости определяет величину ударного давления при гидравлическом ударе, а также сопротивление магистралей (трубопроводов)в переходных процессах. Например, для создания некоторого ускорения в трубопроводе, заполненном жидкостью с удельным весом ртути (13,6 г/см³) потребуется давление в 17 раз больше, чем в заполненном минеральным маслом с удельным весом 0,8 г/см³.

Плотность жидкостей незначительно зависит от температуры, поэтому при расчетах принимается постоянной.

2.3.3. Вязкость жидкости (динамическая), под которой понимается ее сопротивление деформации сдвига, является наиболее важной характеристикой для расчета и проектирования объемного гидравлического оборудования.

Механизм возникновения вязкости обусловлен тем, что при течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки скорость движения ее слоев в результате торможения потока различна, вследствие чего между слоями возникает сила трения. Величина этой силы (касательного напряжения) определяется из уравнения, выражающего закон жидкостного трения Ньютона:

где μ – коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом динамической (или абсолютной) вязкости жидкости;

F – площадь рассматриваемого слоя жидкости или стенки, соприкасающейся с ней;

- градиент скорости;

y – расстояние между слоями жидкости, измеренное перпендикулярно направлению движения жидкости;

u – скорость движения жидкости.

Из этого уравнения следует, что динамический коэффициент вязкости μ численно равен силе трения, развивающейся на единице поверхности при градиенте скорости, равном единице.

В системе единиц МКГСС единицей абсолютной вязкости принято считать касательную силу, в которой действует один слой жидкости площадью 1 м² на другой, при движении одного слоя относительно другого с градиентом скорости 1м/сек · м. Размерность этой единицы μ = 1 кГ · сек/м².

В системе СГС (сантиметр – грамм – секунда) вязкость выражается в пуазах (пз), причем вязкость жидкости равна 1 пз, если сила, необходимая для того, чтобы перемещать одну относительно другой две параллельные пластинки из жидкости поверхностью в 1 см², с градиентом скорости 1 см/сек · см, составляет 1 дин. Эта единица коэффициента вязкости обозначается μ_р и имеет размерность дин/см² ·сек или г/см² · сек.

Величину коэффициента динамической вязкости для маловязких жидкостей, применяемых в гидросистемах, обычно выражают в сантипуазах (спз), причем 1 спз = 0,01 пэ.

Единицы динамической вязкости связаны соотношением

1 спз = 1,0193 · 10^-4 кГ · сек/м² = 0,01 пз.

В системе СИ динамическая вязкость имеет размерность н · сек/м² (ньютон – секунда на квадратный метр).

Ниже приведено соотношение между этими единицами вязкости:

2.3.4. Кинематическая вязкость

В гидравлических расчетах применяют отношение коэффициента динамической вязкости μ к плотности ρ жидкости, которое называется коэффициентом кинематической вязкости и обозначается ν:

В системе МКГСС коэффициент кинематической вязкости выражается в м²/сек и в системе СГС – в см²/сек. Величина вязкости, равная 1 см²/сек, называется стоксом (сm). В технической практике получили распространение сантистоксы (ссm), причем 1 ссm = 0,01 сm = 1 мм²/сек.

Указанные единицы кинематической вязкости связаны соотношением 1 м²/сек = 10 000 сm = 1 000 000 ссm.

В отечественных стандартах обычно дается кинематическая вязкость, выраженная в сантистоксах при 50⁰ С.

В гидросистемах машин, предназначенных для работы в стабильных температурных условиях при давлении менее 100 кГ/см², обычно применяют масла с вязкостью 20-40 ссm (при 50⁰ С), а при давлении до 200 кГ/см² вязкость жидкости достигает значений 110-150 ссm.

В гидросистемах с быстроходными насосами и в гидросистемах, предназначенных для работы в широком температурном диапазоне и при низких температурах, применяются масла с меньшими значениями вязкости.

2.3.5. Условные (относительные) единицы вязкости

Точных методов непосредственного измерения коэффициентов абсолютной или кинематической вязкости не существует. Лишь в некоторых случаях для определения коэффициентов абсолютной или кинематической вязкости пользуются тарированными приборами, позволяющими с приемлемой точностью определить вязкость прямым методом.

На практике с помощью вискозиметров определяют относительную вязкость, единицы измерения которой непосредственно не связаны с физической природой вязкости. В отечественной промышленности применяются единицы условной вязкости, измеряемые в секундах или градусах. Энглера с помощью вискозиметра, основанного на методе истечения жидкости через калиброванное отверстие определенного диаметра (2,8 мм). В этом приборе определяется время t истечения под собственным весом 200 см³ испытываемой жидкости из цилиндрического сосуда через заданное отверстие при данной температуре, которое сравнивается с временем t_в истечения из того же сосуда 200 см³ воды при 20⁰ С. В соответствии с этим вязкость жидкости в градусах Энглера выражается отношением

причем время истечения воды в этом приборе обычно равно t_в = 50 ÷ 52 сек. Вискозиметр Энглера применим для жидкостей с вязкостью не меньше 1,1⁰ Е.

Относительная вязкость часто выражается также в секундах Энглера, которые показывают время истечения определенного объема измеряемой жидкости из указанного вискозиметра в секундах. Покольку вискозиметр Энглера рассчитан на истечение воды за 50 – 52 сек, единица вязкости в секундах Энглера в 50 – 52 раза меньше единицы вязкости в градусах Энглера.

2.3.6. Перевод условных единиц вязкости в абсолютные

До настоящего времени не существует метода точного перевода условных (относительных) единиц вязкости в абсолютные, пересчет проводится по приближенным эмпирическим формулам и таблицам. Для применяемых в гидросистемах масел при среднем значении γ = 900 кГ/м³ коэффициенты кинематической и условной вязкости, выраженной в градусах Энглера, выражаются соотношением

Пересчет градусов Энглера в единицы абсолютной вязкости может быть осуществлен для распространенных в гидросистемах жидкостей по упрощенной формуле μ = 0,00065⁰ Е. Для пересчета коэффициента динамической вязкости μ в единицы условной вязкости можно также пользоваться графиком, показанным на рис.1.

Рис. 1. График для пересчета динамической вязкости

в условную

Следует отметить, что существующие вискозиметры обеспечивают получение более или менее достоверных результатов для жидкостей с вязкостью от 2 до 30 ссm.

2.3.7. Зависимость вязкости от температуры

С повышением температуры вязкость капельных жидкостей и их смесей понижается.

Математических уравнений, пригодных для практического применения, выражающих закон изменения вязкости от температуры, до настоящего времени не имеется, поэтому пользуются эмпирическими зависимостями. Для минеральных масел с вязкостью > 80 ccm при температурах от 30 до 150⁰ С пользуются выражением

где и - кинематические коэффициенты вязкости при заданной температуре t и температуре 50⁰ С в ccm;

n – показатель степени, значения которого в зависимости от исходной вязкости при 50⁰ С приведены ниже.

Вязкость	2,8	6,25	9,0	11,8	21,2	29,3
Показатель n	1,39	1,59	1,72	1,79	1,99	2,13
Вязкость	37,3	45,1	52,9	60,6	68,4	80,0
Показатель n	2,24	2,32	2,42	2,49	2,52	2,56

В гидросистемах применяются жидкости, вязкость которых при 50⁰ С составляет 10-100 спз. В частности вязкость применяемого в самолетных гидросистемах масла АМГ – 10 при 50⁰ С равна 10 ccm.

Зависимость вязкости распространенных масел от температуры показана на рис. 2. а и б. Очевидно, чем меньше изменяется вязкость с изменением температуры, тем выше качество и лучше эксплуатационные свойства рабочей жидкости. При применении жидкостей, имеющих крутую кривую температурной зависимости вязкости, затруднена работа гидросистемы в зимних условиях эксплуатации.

Обычно вязкостно – температурные свойства жидкостей характеризуются отношением Жидкость, предназначенная для эксплуатации в широком температурном интервале, считается пригодной, если ее вязкость при изменении температуры от – 50⁰ С до + 50⁰ С изменяется не более, чем в 100 раз.

Рис. 2. Графики зависимости динамической вязкости

масел от температуры:

1 - трансформаторное; 2 - индустриальное 12;

3- индустриальное 20; 4 - индустриальное 30;

5- индустриальное 50; 6- автотракторное;

7- МВП; 8- ЦИАТИМ-1; 9- АМГ-10

2.3.8. Зависимость вязкости от давления

Вязкость жидкостей зависит от величины давления, увеличиваясь с повышением последнего.

Влиянием давления на вязкость жидкости до последнего времени обычно пренебрегали, поскольку применялись относительно небольшие давления. Однако для гидросистем высоких давлений изменение вязкости может оказать существенное влияние на характеристики гидросистемы, так как даже при относительно небольших изменениях давления (от 0 до 400 кГ/см²) вязкость многих минеральных масел при нормальной температуре увеличивается в ~ 3 раза. Для многих гидросистем сверхвысоких давлений указанная зависимость предопределяет возможность применения некоторых марок жидкости в качестве рабочей среды.

Зависимость вязкости жидкости от давления Р может быть выражена экспоненциальной функцией

где μ₀ и μ – вязкость при атмосферном давлении и при давлении р;

b – коэффициент, характеризующий изменение вязкости в зависимости от давления.

В таблице 1 приведены приблизительные значения μ (в спз) и практические данные по величине коэффициента b в зависимости от этих параметров (для температуры 40⁰ С) для широко применяемых в гидросистемах минеральных масел.

Таблица 1

Значения μ и коэффициента b

При практических расчетах зависимость вязкости от давления (0 – 500 кГ/см²) минеральных масел, применяемых в гидросистемах, можно подсчитывать по приближенному эмпирическому уравнению

где ν_р и ν – кинематический коэффициент вязкости соответственно при давлении р и атмосферном;

k – коэффициент, зависящий от марки масла; можно принимать для легких масел (υ₅₀ < 15 ccm)k = 0,002 и тяжелых

(υ₅₀ > 15 ccm)k = 0,003;

р – давление масла в кГ/см².

2.3.9. Вязкость смесей минеральных масел

При смешивании нескольких марок минеральных масел различной вязкости образуются однородные смеси, обладающие основными свойствами исходных масел. Это позволяет смешивать в определенных количествах несколько сортов масел для получения смеси, обладающей заранее заданным доминирующим свойством. При этом необходимо лишь обеспечить однородность компонентов смеси, так как в противном случае вязкость смеси с течением времени может измениться вследствие испарения легких фракций.

Условная вязкость смеси двух минеральных масел может быть определена с достаточной точностью по выражению

где a и b – содержание компонентов смеси в %;

⁰Е₁ и ⁰Е₂ – условная вязкость компонентов смеси;

k – эмпирический коэффициент, зависящий от содержания компонентов a и b в смеси.

Значения коэффициента k в зависимости от процентного содержания в смеси компонентов a и b приведены ниже:

a ………......10 20 30 40 50 60 70 80 90

b …………..90 80 70 60 50 40 30 20 10

k ………… 6,7 13,1 17,9 22,1 25,5 27,9 28,2 25 17

Следует иметь в виду, что жидкости не минерального происхождения взаимно не смешиваются, при смешивании образуются нерастворимые студенистые вещества, которые могут вывести гидросистему из строя.

2.3.10. Механическая и химическая стойкость (стабильность)

К жидкостям, применяемым в гидросистеме машин, предъявляются требования, чтобы они в рабочих условиях применения и хранения не изменяли своих первоначальных физических и химических свойств, т.е. в условиях эксплуатации обладали физической и химической стабильностью.

Физическая стабильность жидкости нарушается при длительной работе в условиях высоких давлений (при высоких напряжениях сдвига) в особенности при дросселировании с большим перепадом давления и при смазке под давлением трущихся пар с высокой удельной нагрузкой. В результате этого происходят молекулярно - структурные изменения (деструкция) жидкости, сопровождающиеся понижением ее вязкости, а также ухудшением ее смазывающих свойств.

Механическая деструкция жидкости наблюдается также при вибрационных воздействиях, которые проявляются в условиях эксплуатации. На рис.3 представлены кривые устойчивости к механической деструкции жидкостей, построенные по результатам испытаний на звуковом осцилляторе при частоте 10000 гц.

Рис. 3. Устойчивость к механической деструкции

жидкостей

1 и 2 – синтетические жидкости (оронит 8200 и оронит 8515); 3 – жидкость на минеральной основе (MIL-0-5606)

Особенно большая потеря вязкости наблюдается в масляных смесях типа АМГ-10 с вязкостными добавками, состоящими из длинных углеводородных цепочек. Эти цепочки при длительном «мятии», в частности, при многократном продавливании жидкости под высоким давлением через малые зазоры, могут разрушаться, происходит постепенное «перемалывание» высокомолекулярного загустителя, в результате чего вязкость с течением времени может уменьшиться до недопустимого значения.

Под химической стабильностью жидкости понимают устойчивость ее против «старения», происходящего в результате окисления кислородом воздуха.

Химическая стабильность жидкости или стойкость к окислению зависит от химического ее состава и строения составляющих компонентов. В процессе окисления выпадает из жидкости осадок в виде смол.

Интенсивность соединений с кислородом значительно повышается с ростом температуры на поверхности их контакта с воздухом. Например, при повышении температуры на каждые 8-10 ⁰С интенсивность окисления минерального масла практически удваивается.

2.3.11. Теплостойкость жидкостей

Большинство минеральных масел при нагреве до сравнительно невысоких температур изменяют химический состав. Это изменение носит характер либо крекинг-процесса, сопровождающегося уменьшением среднего молекулярного веса и выделением летучих фракций, либо полимеризации, при которой образуются смолы, осадки и коксоподобные вещества, либо оба процесса происходят одновременно. По мере повышения температуры интенсивность этих реакций возрастает, и по достижении некоторой предельной температуры масло теряет свойства и не может служить рабочей жидкостью гидросистем. При высокой температуре этот процесс разложения жидкости может протекать настолько интенсивно, что срок ее службы будет составлять всего лишь несколько десятков часов.

2.3.12. Растворение в жидкостях газов

Все жидкости растворяют газы, которые в растворенном (дисперсном) состоянии не оказывают существенного влияния на механические свойства жидкости. Однако, если давление в какой-либо точке объема жидкости уменьшается, газы выделяются из раствора в виде пузырьков, которые ухудшают свойства жидкости. Относительное количество газа, который может раствориться в жидкости до ее насыщения, прямо пропорционально давлению на поверхности раздела. Этот объем можно вычислить по формуле

где V_г – объем растворенного газа, отнесенный к атмосферному давлению (760 мм рт. Ст.) и нулевой температуре;

k = - коэффициент растворимости газа в жидкости;

объем жидкости;

р₁ и р₂ – начальное и конечное давление газа, находящегося в контакте с жидкостью.

Коэффициент растворимости зависит от свойств жидкостей и газов. Воздух растворяется в минеральных маслах, применяемых в гидросистемах машин, в объеме, равном ~10% (k = 0,10) объема жидкости на 1 ат.

Растворимость кислорода в жидкостях выше, чем атмосферного воздуха, ввиду чего растворенный в жидкости воздух содержит кислорода на 40—50% больше чем атмосферный воздух, что интенсифицирует окисление жидкости и разрушение резиновых деталей гидроагрегатов.

Ниже приведены коэффициенты растворимости воздуха k в распространенных жидкостях при 20 ⁰С

Масло:

велосит …………………………….0,0959

вазелиновое………………………..0,0877

трансформаторное 12…………….0,0828

индустриальное 12 ……………….0,0759

АМГ-10 ……………………………0,1038

Керосин…………………………………0,1270

Вода……………………………………..0,16

Растворимостью примерно такого же порядка обладает и азот, который широко применяется для наддува жидкостных баков (резервуаров).

Растворимость воздуха в минеральных маслах зависит от сорта масла, уменьшаясь с увеличением его плотности. Для масел с объемным весом, равным 0,82 и 0,9 г/см³, коэффициент растворимости k соответственно составляет 0,10 и 0,08.

Растворимость воздуха в маслах малой вязкости несколько выше, чем в маслах высокой вязкости.

С увеличением температуры растворимость воздуха в масле практически сохраняется постоянной. Так, например, коэффициент растворимости воздуха в керосине при температуре — 30° С равен 0,12 и при температуре 20° С он повышается до 0,125.

Последний фактор следует учитывать при проектировании гидросистем, находящихся под давлением газа (воздуха) в усло­виях широкого температурного диапазона, поскольку в результате изменения объема растворенного газа, обусловленного его тепло­вым расширением, может нарушаться условие насыщенности жидкости газом.

Время, в течение которого происходит насыщение масла газом, зависит от величины поверхности раздела, приходящейся на единицу объема масла, а также от степени возмущенности состояния этой поверхности. При интенсивном перемешивании жидкость насыщается в течение одной или нескольких минут, тогда как в спокойном состоянии процесс длится часами.

Рассмотренное свойство жидкости имеет важное значение для работы гидросистемы, так как присутствие газа ухудшает, а во многих случаях может полностью нарушить работу гидросистемы и ее агрегатов. В частности, при наличии газа ускоряется наступление кавитации. Газ, выделившийся из жидкости в местах пониженного давления, может частично заполнить рабочие полости насоса, уменьшая тем самым его производительность и ухудшая режим его работы. Как показали наблюдения, при вакууме у входа в насос, равном 200—250 мм рт. ст., который образуется при определенных условиях в результате сопротивле­ния всасывающей магистрали, наступает помутнение потока минерального масла из-за выделения воздуха; при вакууме 380—400 мм рт. ст.количество выделившегося воздуха становится таким, что резко изменяется окраска масла и образуются видимые глазом пузырьки, и при вакууме в баке 400— 450 мм рт ст. масло, поступающее но трубе из бака в насос, превращается в пену.

2.3.13. Механическая смесь воздуха с жидкостью

Воздух (газ) может находиться в жидкости в механической смеси, причем в зависимости от размеров пузырьков последнего такая смесь обладает меньшей или большей устойчивостью, и при определенных условиях, характеризуемых в основном размерами пузырьков (диаметр пузырька равен ~0,4—0,8 мк) и вязкостью жидкости, скорость вытеснения пузырьков воздуха становится столь малой, что воздух может находиться в смеси с маслом в течение многих суток.

Обычно в масле действующей гидросистемы содержится примерно от 0,5—5% воздуха в нерастворенном состоянии. В зависимости от конструкции и режима эксплуатации гидросистемы содержание воздуха может повыситься до 10—15% общего объема жидкости.

При наличии в жидкости нерастворенного воздуха ее вязкость увеличивается. На рис. 4 представлена кривая, характеризующая соотношение вязкостей жидкости μ_в с пузырьками воздуха и μ₀ - без пузырьков. Это соотношение может быть выражено эмпирическимуравнением.

где b – содержание пузырьков воздуха в %.

Рис. 4. Зависимость вязкости жидкости от содержания

воздуха

2.3.14. Образование пены

При эксплуатации гидросистемы может образоваться пена, которая состоит из пузырьков воздуха различного размера. В верхней части пены располагаются крупные пузырьки со смежными стенками и в нижней части – мелкие пузырьки, не имеющие смежных стенок.

Пена понижает смазывающую способность масла, а также вызывает коррозию металлических деталей гидравлических агрегатов и окисление масла. Вследствие большой площади поверхности раздела между жидкостью и воздухом значительно ускоряются окисление и другие химические реакции в пене. Устойчивая пена превращается со временем в вязкие включения, откладывающиеся на поверхностях агрегатов и могущих нарушить их нормальную работу.

Пенообразование резко усиливается при наличии в масле даже ничтожного (менее 0,1% по весу) количества свободной или растворенной воды, которая способствует образованию эмульсий. Образование эмульсий в первом случае происходит в результате механического дробления капель воды при прохождении их через насос (грубодисперсные эмульсии).

Особенно отрицательное влияние оказывает вода, находящаяся в жидкости в виде эмульсий (однородной смеси очень мелких пузырьков воздуха и воды) высокой дисперсности, которая не оседает под действием сил тяжести; обнаружить ее можно лишь по помутнению: масло мутнеет при содержании в нем воды более 0,008% по весу при 20° С.

На рис. 5 показаны кривые, характеризующие изменение содержания воды в этих жидкостях во времени при соотношении объемов жидкой и газовой фаз 1:1. С повышением температуры растворимость воды увеличивается. Вода может попасть в масло в результате неудовлетворительного складского хранения или вследствие конденсации в гидробаке паров воды, попадающих в бак с воздухом при изменениях в них объема жидкости, обусловленных работой силовых цилиндров с односторонним штоком, зарядкой гидрогазовых аккумуляторов и пр. т. е. попадание воды в масло практически предупредить невозможно.

Рис. 5. Характеристики насыщения жидкостей водой

2.3.15. Влияние нерастворенного воздуха на работу

гидросистемы

Ввиду того, что сжимаемость воздуха (газа) значительно (в тысячи раз) больше сжимаемости самих рабочих жидкостей (модуль упругости воздуха равен приблизительно величине абсолютного его давления), наличие в них воздушных пузырьков значительно понижает модуль их упругости, вследствие чего жесткость гидравлического механизма понижается (повышается податливость рабочих органов гидродвигателя, характеризуемая величиной смещения выходного звена, которое под действием внешней нагрузки уменьшается).

При давлении 150 кГ/см² модуль упругости гидрогазовой смеси, содержащей 1 % газа (приведенного к атмосферному давлению), почти в 2 раза меньше модуля однородной жидкости. Даже при практически неизбежном содержании воздуха, равном 0,1%, приведенный модуль упругости масла АМГ-10 снижается при атмосферном давлении с 14 000 до 1750 кГ/см². Понижение модуля упругости не зависит от размеров пузырьков воздуха и будет тем больше, чем больше их суммарный объем.

При наличии в жидкости нерастворенного воздуха нарушается плавность движения гидроузлов, понижается производительность насосов, а также сокращается вследствие гидравлических ударов срок их службы. Нерастворенный воздух приводит также к запаздыванию действия гидравлической системы и в особенности системы следящего типа ик потере ею устойчивости против автоколебаний. Запаздывание обусловлено тем, что емкость гидравлической системы при повышении давления увеличивается на объем сжатия рабочей жидкости. Следовательно, чтобы давление в рабочей полости гидравлического двигателя (силового цилиндра и пр.) повысилось в начале движения до величины, способной преодолеть приложенную нагрузку, в систему необходимо подать некоторое количество жидкости, которое компенсировало бы изменение объема при сжатии пузырьков воздуха до рабочего давления.

Объемный модуль Е' упругости жидкости, содержащей нерастворенный воздух (приведенный модуль), может быть определен но выражению (при предположении, что воздушные пузырьки при сжатии не растворяются)

где Е — объемный модуль упругости чистой, жидкости (не содержащей нерастворенного воздуха);

V_f— объем жидкости в жидкостно-воздушной смеси при заданном давлении р;

V_a — объем воздуха в смеси с жидкостью при атмосферном давлении Р₀.

Учитывая рассмотренные зависимости, необходимо принимать меры по дегазации жидкости так, чтобы отношение объема нерастворенного воздуха У_а ксуммарному объему жидкости и воздуха.

В гидросистемах с механическим разделением жидкостной и газовой сред необходимо перед заправкой системы удалить из рабочей жидкости растворенный воздух.

Следует также сохранять требуемый уровень жидкости в баке, так как понижение его вызовет интенсивную циркуляцию; кроме того, происходящие при этом завихрения и обусловленные ими местные понижения давления будут способствовать дополнительному выделению воздуха из раствора и попаданию воздуха в жидкость извне. При понижении в баке уровня жидкости в местах подключения всасывающего трубопровода может образоваться воронка, через которую в систему будет попадать воздух.

Следует также избегать контакта покоящейся жидкости с воздухом или газом, находящимся под избыточным давлением.

2.3.16. Сжимаемость жидкостей

Капельные жидкости являются упругим телом, подчиняющимся с некоторым приближением (для давлений до 500—800 кГ/см*) закону Гука.

Упругая деформация (сжимаемость) жидкости для гидравлических систем является отрицательным фактором, так как ввиду практической необратимости энергии, расходуемой на сжатие жидкости, общий к. п. д. приводов понижается.

Сжимаемость жидкости понижает жесткость гидравлической системы и приводит к прерывистому движению ее выхода, а также может вызвать нарушение ее устойчивости против автоколебаний и в частности ухудшает динамические характеристики гидравлических следящих систем (сервомеханизмов). Вследствие сжатия жидкости во вредном пространстве насосов высокого давления и в особенности насосов переменной производительности понижается их объемный к. п. д.

Сжимаемость жидкости в гидравлических системах управления создает во всех случаях в магистралях и механизмах эффект гидравлической пружины.

Это явление усугубляется при использовании жидкостей с низким модулем объемной упругости и большими объемами полостей, заполненными жидкостью под давлением.

Жесткость (сжимаемость) жидкости оценивается коэффициентом относительного объемного сжатия (коэффициентом сжимаемости) β, который характеризует изменение единицы объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления:

где

- начальный объем жидкости при атмосферном давлении и объем при изменении давления на Δр_.

Величина, обратная β, называется объемным модулем упругости жидкости при всестороннем сжатии:

В связи с высоким значением объемного модуля упругости жидкостей в технических расчетах сжимаемостью можно пренебречь, считая жидкость несжимаемой. Однако во многих случаях сжимаемость жидкости служит базой, на которой основана работа ряда устройств. В частности, это свойство жидкости используется для создания жидкостных пружин и амортизаторов давление в которых достигает 3000—5000 кГ/см².

2.3.17. Теплопроводность и теплоемкость жидкостей

Для поглощения и удаления из гидросистемы выделяющегося при ее работе тепла и его рассеивания необходимо, чтобы жидкости обладали высокими показателями теплоемкости и теплопроводности.

Теплопроводность жидкостей — это количество тепла в калориях, которое проходит в 1 сек через 1 см² слоя толщиной 1 см. Теплопроводность обычно выражается в ккал/см∙ ч град или кал/см, сек. град.

Значение коэффициента теплопроводности определяется

ккал/см ∙сек ∙град,

где а — коэффициент, зависящий от марки жидкости; для минеральных масел а ≈ 0,00027 ÷ 0,0003

Минеральные масла являются плохим проводником тепла и уступают воде и жидкостям на водной основе, теплопроводность которых примерно в 5 раз выше теплопроводности масел.

Для большинства нефтепродуктов теплопроводность составляет примерно (4,0 — 4,8) -10^-6 ккал/см- сек- град.

Значения коэффициентов теплопроводности в ккал/см • сек • град(10-⁴) некоторых жидкостей приведены следующие

Вода при температуре в °С:

10⁰С ………….14,7 Минеральное масло при 15⁰ С ……...3,24

50⁰С …...……..15,4 Касторовое масло при 20⁰ С…….…...4,32

80⁰С ……….…16,0 Глицерин при 20⁰ С ………..………...6,8

Коэффициент теплопроводности воздуха при 0° С составляет 1,44 ∙10^-6 ккал/см -сек. град

Теплопроводность жидкостей уменьшается с повышением температуры. В частности зависимость коэффициента теплопроводности минеральных масел от температуры имеет вид

ккал/см ∙ сек ∙ град

Для индустриальных масел а = 3-10-⁴; b = 1,25∙10-²; для машинных масел а — 2,7-10-⁴; b = 10^-2.

Не менее важным параметром является теплоемкость жидкостей [количество тепла, необходимое для повышения температуры единицы веса на 1° С (ккал/кг)], от значения которой зависит интенсивность повышения температуры.

Коэффициент теплоемкости нефтепродуктов определяется по приближенному эмпирическому выражению

ккал/кг

где t – температура масла в ⁰С;

γ₁₅ – объемный вес масла при 15⁰ С в кг/л

Для распространенных жидкостей средняя удельная теплоемкость в ккал/кг ∙ град в интервале температур от 0 до 100⁰ С:

Минеральное масло……………………………0,45 – 0,50

Керосин………………….…………………………0,50

Глицерин….………………………………………..0,57

Жидкость на водной основе (при t = 25⁰ С)……...0,72

Для рабочих жидкостей минерального происхождения средняя удельная теплоемкость при температуре от 0 до 100⁰ С может быть принята равной 0,45 ккал/кг ∙ град.

У большинства реальных жидкостей и газов удельная теплоемкость повышается с увеличением температуры, причем эти изменения для газов существенны, а для жидкостей незначительны, поскольку модуль объемной упругости велик.

Теплоемкость смеси минеральных масел может быть приближенно определена по выражению

где С_с – теплоемкость смеси;

С₁ и С₂ – теплоемкость отдельных компонентов смеси;

m ₁ и m₂ – весовые количества компонентов.

2.3.18. Характеристики масел, применяемых в гидросистемах,представлены в таблицах 2, 3.

Таблица 2

Таблица 3

К морозостойким относится также масло ЦИАТИМ-1М (ТУ 327 – 50), получаемое очисткой низкозастывающей узкой дистиллярной фракции, выкипающей в пределах 320 – 340 ⁰С с присадками. Ниже приведена характеристика этого масла.

Вязкость в ccm при температуре в ⁰С:

+ 50……………………………………………………..6,3

- 40……………………………………………………...1900

Температура в ⁰С:

застывания……………………………………….Не выше – 60

кипения:

начало………………………………………………..300

конец…………………………………………………340

вспышки в открытом тигле…………………….Не ниже 130

2.3.19. Принципы выбора рабочих жидкостей гидросистем

Выбор типа минерального масла для гидропривода является ответственным этапом в проектировании, монтаже и последующей эксплуатации гидросистемы, что связано с работоспособностью гидропривода в течение определенного времени в различных производственных условиях, определяет надежность и стабильность его функционирования.

При выборе жидкости необходимо учитывать следующие условия (показатели) эксплуатации гидропривода:

1 скорость движения исполнительных (рабочих) органов технологического оборудования и величину давления жидкости в гидросистеме;

2 диапазон температур окружающей среды;

3 максимальную температуру жидкости, до которой она нагревается в процессе работы, и длительность стабильной работы при максимальной температуре;

4 свойства (характеристики) конструкционных материалов, контактирующих с рабочей жидкостью в процессе работы (трубопроводы, гибкие шланги, уплотнения, виды покрытий и т.п.).

3. ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ ЖИДКОСТЕЙ

3.1. Силы, действующие в жидкостях

Различают два типа внешних сил, действующих в жидкостях – массовые и поверхностные силы.

Массовыми силами называются силы, действие которых на выделенный элемент жидкости не зависит от присутствия других частей жидкости, кроме рассматриваемого элемента, а численное значение пропорционально массе этого элемента. Примером массовой силы может служить сила тяжести.

Массовая сила равна .

где dV – объем рассматриваемого элемента жидкости;

ρ – плотность;

F – массовая сила, отнесенная к единице массы жидкости и называется напряженностью поля массовых сил (например, для силы тяжести величина F равна ускорению g свободного падения).

Поверхностными силами называются силы, приложенные к элементу жидкости со стороны прилегающих к нему частиц остальной части жидкости. Эти силы действуют на поверхность рассматриваемого элемента. Поверхностная сила, отнесенная к единице площади поверхности, на которую она действует, называется напряжением. Всякую поверхностную силу можно разложить на нормальную и касательную к поверхности составляющие. Соответственно различают нормальное напряжение, или давление Р и касательное напряжение τ. В состоянии равновесия касательные напряжения в жидкости равны нулю и поверхностные силы представляют собой только силы давления, причем давление Р в данной точке по всем направлениям одинаково, т.е. не зависит от ориентации той поверхности, для которой оно определяется.

3.2. Одномерное движение жидкостей

Изучение движения жидкостей представляет собой содержание гидродинамики, так как явления, рассматриваемые в гидродинамике, имеют макроскопический характер, то жидкость рассматривается как сплошная среда. Предполагается, что всякий малый элемент объема жидкости считается настолько большим, что содержит еще очень большое число молекул. Или, объем, достаточно малый по сравнению с объемом тела, но большой по сравнению с межмолекулярными расстояниями. В этом смысле в гидродинамике и надо понимать выражения «жидкая частица» и «точка жидкости». Если, например, говорят о смещении частицы жидкости, то это понимают как смещение элемента объема, содержание многих молекул, не рассматриваемого в гидродинамики как точка. Следовательно, состояние движущейся жидкости определяется пятью величинами: тремя компонентами скорости V и, например, давление P и плотность . Соответственно, полная система гидродинамических уравнений для одномерного движения жидкости должна содержать пять уровней.

Для идеальной жидкости этими уравнениями являются уравнения Эйлера, уравнение неразрывности и уравнение, выражающее адиабатичность движения.